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RF 비아 구조를 이용한 K-대역 CMOS FMCW 레이더 칩용 고주파 패키지의 제작
신임휴(Im-Hyu Shin),박용민(Yong-Min Park),김동욱(Dong-Wook Kim) 한국전자파학회 2012 한국전자파학회논문지 Vol.23 No.11
본 논문에서는 RF 비아 구조를 이용하여 2가지 종류의 K-대역 CMOS FMCW 레이더 칩용 고주파 패키지를 설계, 제작 및 평가하였다. 패키지는 범용 PCB와 LTCC 공정을 이용하여 각각 제작되었다. 24 GHz를 기준으로 설계가 진행되었으며, 3차원 전자기 시뮬레이션을 통해 와이어 본딩과 RF 비아 구조의 임피던스 변화를 확인하였다. 비아 구조는 임피던스 부정합에 의한 손실을 억제하기 위해 50 Ω의 특성 임피던스를 가지도록 하였다. PCB 기반 패키지와 LTCC 패키지의 설계 검증을 위해 각 패키지의 RF 경로를 back-to-back 연결하여 시험용으로 제작하였고, 측정 결과 24 GHz에서 0.4 dB 이하의 우수한 삽입 손실을 얻었으며, 20~29 GHz 주파수 영역에서 0.5 dB 이하의 삽입 손실을 보였다. 반사 손실의 경우, 전체 주파수 영역에서 PCB 기반 패키지는 ?13 dB 이하, LTCC 패키지는 ?15 dB 이하의 특성이 측정되었고, back-to-back 연결의 리플 특성이 일반적으로 5 dB 정도의 반사 손실 열화를 초래하므로 패키지 자체의 RF 경로는 약 5 dB 정도 개선될 것으로 예측되었다. In this paper, we design, fabricate and measure two kinds of high-frequency packages for K-band CMOS FMCW radar chips using RF via structures. The packages are fabricated with the conventional PCB process and LTCC process. The design centering of the packages is performed at 24 GHz and impedance variation caused by the wire bonding and RF via structure is fully evaluated using 3D electromagnetic simulation. The RF via structure with characteristic impedance of 50 Ω is used to reduce impedance mismatch loss. Two kinds of test packages with back-to-back connected RF paths are fabricated and measured for the design verification of the PCB-based package and LTCC package. Their measured results show an insertion loss of less than 0.4 dB at 24 GHz and less than 0.5 dB for 20~29 GHz. The measured return loss is less than ?13 dB for the PCB-based package and less than ?15 dB for the LTCC package in the frequency band, but the return loss of the package itself is predicted to be better than that of the test package by about 5 dB, because the ripples of the back-to-back connection typically degrade the return loss by 5 dB or more.
E-평면 프로브를 이용한 Ka 대역 마이크로스트립-도파관 변환기의 설계 및 제작
신임휴(Im-Hyu Shin),김철영(Choul-Young Kim),이만희(Man-Hee Lee),주지한(Ji-Han Joo),이상주(Sang-Joo Lee),김동욱(Dong-Wook Kim) 한국전자파학회 2012 한국전자파학회논문지 Vol.23 No.1
본 논문에서는 K-커넥터를 사용하지 않고 다수의 전력증폭기를 WR-28 도파관에서 전력 합성하기 위해 마이크로스트립 전송 선로를 도파관으로 직접 변환하는 2가지 형태의 개방형 E-평면 프로브를 최적 설계하고, 이를 활용한 변환기를 제작, 평가하였다. 중심 주파수 35 GHz에서 ±500 MHz의 대역폭을 가지며, 0.1 ㏈의 삽입 손실과 20 ㏈ 이상의 반사 손실을 목표로 변환기 설계가 진행되었으며, 제작 시 발생할 수 있는 지그 가공 및 조립오차에 대한 특성도 3차원 전자기 시뮬레이션을 통해 고려하였다. 16 ㎜와 26.57 ㎜의 마이크로스트립 선로를 가지는 back-to-back 변환기 구조를 제작하였으며, 35 ㎓에서 변환기 당 약 0.1 ㏈의 우수한 삽입 손실을 얻었고, Ka 대역 전체 주파수 영역에서 평균 0.2 ㏈의 삽입 손실 특성을 보였다. 반사 손실의 경우, back-to-back 구조가 Ka 대역에서 15 ㏈ 이상의 특성을 보여 변환기 자체로는 20 ㏈ 이상의 값을 가지는 것으로 파악되었다. In this paper, two kinds of E-plane microstrip-to-waveguide transitions are optimally designed and fabricated for combining output power from multiple small-power amplifiers in a WR-28 waveguide because conventional K connectors cause unnecessary insertion loss and adaptor loss. The transition design is based on target specifications such as a center frequency of 35 ㎓, bandwidth of ±500 ㎒, 0.1 ㏈ insertion loss and 20 ㏈ return loss. Performance variation caused by mechanical tolerance and assembly deviation is fully evaluated by three dimensional electromagnetic simulation. The fabricated back-to-back transitions with 16 ㎜ and 26.57 ㎜ interstage microstrip lines show insertion loss per transition of ~0.1 ㏈ at 35 ㎓ and average 0.2 ㏈ over full Ka band. Also the back-to-back transition shows return loss greater than 15 ㏈, which implies that the transition itself has return loss better than 20 ㏈.
높은 격리도 특성의 4:1 도파관 전력합성기를 이용한 Ka-대역 8 W 전력 증폭 모듈
신임휴(Im-Hyu Shin),김철영(Choul-Young Kim),이만희(Man-Hee Lee),주지한(Ji-Han Joo),이상주(Sang-Joo Lee),김동욱(Dong-Wook Kim) 한국전자파학회 2012 한국전자파학회논문지 Vol.23 No.2
본 논문에서는 Ka-대역에서 도파관 기반으로 동작하는 2 W급 소형 전력 모듈과 35 GHz에서 25 dB 이상의 높은 격리도 특성을 가지는 4:1 도파관 전력합성기를 이용하여 8 W 전력 모듈을 제작하고 평가하였다. 도파관-마이크로스트립 변환 구조를 사용하여 4개의 소형 전력 모듈을 제작하였으며, 32.5~33.3 dBm의 출력 전력과 26.9~28.7 dB의 전력 이득 특성을 얻었다. 제작된 4개의 소형 전력 모듈은 저항성 격막을 삽입하여 제작한 4:1 도파관 전력합성기로 결합되었고, 중심 주파수 35 GHz, 6 V 드레인 전압 조건에서 39.0 dBm(8 W)의 출력 전력과 26.4 dB의 전력 이득 특성을 보였으며, 6.5 V 드레인 전압에서는 39.6 dBm(9.1 W)의 출력 전력과 26.7 dB의 전력 이득 특성을 보였다. In this paper, a Ka-band 8 W power amplifier module with WR-28 waveguide input and output ports is implemented and measured using four 2 W power amplifier modules and 4:1 waveguide power combiners with high isolation of 25 dB at 35 GHz. The 2 W power amplifier modules are fabricated using waveguide-to-microstrip transitions and show output power of 32.5~33.3 dBm and power gain of 26.9~28.7 dB at 35 GHz. Four 2 W power amplifier modules are combined through 4:1 waveguide power combiners with resistive septum and the combined power shows 39.0 dBm(8 W) under 6 V drain bias and 39.6 dBm(9.1 W) under 6.5 V drain bias at 35 GHz.
나노초의 발진 기동 시간과 28 %의 튜닝 대역폭을 가지는 버블형 동작감지기용 광대역 콜피츠 전압제어발진기
신임휴(Im-Hyu Shin),김동욱(Dong-Wook Kim) 한국전자파학회 2013 한국전자파학회논문지 Vol.24 No.11
본 논문에서는 감지기에서 특정 거리만큼 떨어진 곳에 버블 형태의 감지 영역을 형성하는 새로운 버블형 동작 감지기를 위해 나노초의 발진 기동 시간과 8.35 ㎓의 중심주파수를 가지는 광대역 콜피츠 전압제어발진기를 설계 및 제작하였다. 전압제어발진기는 HEMT 소자 및 콜피츠 궤환 구조를 이용한 부성 저항부와 바랙터다이오드 및 단락된 마이크로스트립 분기 선로를 이용한 공진부로 구성되었다. 패키지된 트랜지스터의 기생 인덕턴스로 인해 8.1 ㎓에서 용량성 값에서 유도성 값으로 변하는 부성 저항부의 리액턴스 변화는 마이크로스트립 분기 선로와 직렬 캐패시터를 이용하여 보상하였다. 부성 저항 값을 결정하는 궤환 캐패시터들의 값을 조정함으로써 부성 저항 값 변화에 따른 발진 기동 시간 개선 여부와 부성 저항부의 입력 리액턴스 기울기 변화에 따른 대역폭 개선 여부도 조사되었다. 제작된 전압제어발진기는 2.3 ㎓(28 %)의 튜닝 대역폭과 4.1~7.5 ㏈m의 출력 전력, 그리고 2 nsec 이하의 발진 기동 시간을 가지는 것으로 측정되었다. This paper presents a wideband Colpitts voltage controlled oscillator(VCO) with nanosecond startup time and a center frequency of 8.35 ㎓ for a new bubble-type motion detector that has a bubble-layer detection zone at the specific distance from itself. The VCO circuit consists of two parts; one is a negative resistance part with a HEMT device and Colpitts feedback structure and the other is a resonator part with a varactor diode and shorted shunt microstrip line. The shorted shunt microstrip line and series capacitor are utilized to compensate for the input reactance of the packaged HEMT that changes from capacitive values to inductive values at 8.1 ㎓ due to parasitic package inductance. By tuning the feedback capacitors which determine negative resistance values, this paper also investigates startup time improvement with the negative resistance variation and tuning bandwidth improvement with the reactance slope variation of the negative resistance part. The VCO measurement shows the tuning bandwidth of 2.3 ㎓(28 %), the output power of 4.1~7.5 ㏈m and the startup time of less than 2 nsec.